آموزش نرم افزار HYSYS برای شبیه سازی فرآیندهای صنعتی + فیلم آموزش هایسیس
مدل سازی ریاضی یا شبیه سازی در اصل برای تبدیل کیفیت های فیزیکی و رابطه ای متقابل بین این کیفیت ها با مقادیر عددی و روابط ریاضی است. بدين ترتيب يك مدل رياضی شامل متغير ها و مجموعه معادلات وابسته به آنهاست كه مي تواند تأثير متقابل اين متغير ها را ، همانطور كه در دنياي واقعي اتفاق می افتد نشان دهد. به همین خاطر مدل ریاضی وسیله ای بسیار مناسب برای تحلیل کردن می باشد که با استفاده از آن می توانیم رفتارهای سیستم را قبل از انجام تغییرات واقعی اعمال کنیم. در این مطلب می خواهیم درباره نقش شبیه سازی فرآیندها با استفاده از نرم افزار Hysys صحبت کنیم و با آموزش نرم افزار Hysys بتوانیم شبیه سازی فرآیندهای صنعتی مانند پالایشگاه های پتروشیمی و صنایع ازین دست را انجام دهیم.
مدل سازی و شبیه سازی فرآیند چیست؟
در ابتدا باید این را بدانیم که مدل ها معمولا به سه دسته زیر تقسیم می شوند :
- مدل های تئوری
مدل تئوری اساسا برطبق قوانین و دستورات تئوری قرار دارند، مانند راکتورهای دارای همزن که در صنایع مختلف کاربرد کمتری دارد.
- مدل های نيمه تجربی
مدلهای نيمه تجربی بر پايه روابط تئوری و با استفاده از نتايج اصلاحات تجربی بوجود مي آيند. معادلات حالت از اين دسته اند.
- مدل های تجربی
مدل های تحربی اساسا برطبق رابطه های تجربی بوجود آمده اند. با اينكه محدود كردن شرايط تعادل به تعادل فازها و حذف واكنش های شيميايی به ميزان زيادی از پيچيدگی اين مجموعه معادلات كلی می كاهد، با اين همه حل اين معادلات تنها با توسل به روش های پيچيده محاسبات عددی و بهره جويی از امكانات محاسبات كامپيوتری امكان پذير است.
برنامه های شبيه سازی فرآيند در واقع بسته های نرم افزاری هستند كه تشكيل و حل معادلات را ممکن می سازند به عبارت ديگر شبيه سازی عبارت است از بكار گيری مدل ها و ايجاد ارتباط بين آنها براي توصيف عملی و علمی شرايط و حالات يك سيستم و تعيين خروجی های آن با توجه به داده های ورودی، لذا تكرار شبيه سازی در حالات و شرايط مختلف ورودی می تواند ما را در طراحی فرآيند ياری كند. آنچه مسلم است اين دقت و ميزان انحراف از نتايج تجربی است كه ضامن اعتبار و اهميت يك مدل يا يك شبيه ساز است. برای درک بهتر موضوع شبیه سازهای مخصوص صنایع می توانیم آموزش نرم افزار Hysys را با استفاده از فیلم های آموزشی فرادرس یاد بگیریم.
معرفی کاربردهای شبیه سازها در صنایع
مهمترين موارد كاربرد شبيه سازها در بررسی عملكرد، رفع تنگناها و مشكلات فرآيندی، ايجاد تغييرات در شرايط عملياتی و پيش بينی نتايج حاصل از آن می باشد. در بعضی موارد مي توان از شبيه سازها برای انجام و بررسی آزمايشات پيچيده كه تكرار آنها در عمل مستلزم وقت و هزينه بسيار زياد است سود برد.
از ديگر موارد كاربرد شبيه سازی، افزايش مقياس واحد هاي آزمايشگاهی م باشد كه موجب حذف مرحله ساختن واحد نيمه صنعتی مي گردد. از اين جهت است كه در سال های اخير شبيه ساز های بسياری در غالب بسته های نرم افزاری تهيه و به بازار عرضه شده اند. به كمك اين نرم افزار ها می توان حتی واحد های پيچيده ای چون پالايشگاه ها را به منظور طراحی، توسعه، بهبود عمليات و رفع تنگناها به راحتی در زمان خیلی کوتاه بهینه سازی و شبیه سازی کرد.
برخی از کاربردهای مورد نظر در یک برنامه و نرم افزار شبیه سازی در مهندسی فرآیند بصورت جامع آمده است که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت :
- مطالعه و بررسی گزينه های مختلف خط توليد از نظر افزايش ظرفيت واحد با هدف طراحی و ساخت واحد
- جلوگيری از اشتباهات پر خرج در طراحی و ساخت واحد.
- استفاده از اطلاعات حاصل از شبيه سازی در طراحی دستگاه ها، تجهيزات مكانيكی، پايپينگ، ابزار دقيق، سيستم های برقی و سازه و ساختمان و قابليت اتصال نرم افزارهای شبيه سازی بـه برنامه های طراحی سيستمها و انتقال داده ها به آنها.
- پيش بينی عملكرد فرآيند در شرايط مختلف عملياتی و تعيين نقطه بهينه عملكرد فرآيندی از لحاظ كاهش هزينه های عملياتی مانند مصرف آب ، انرژي و … ، تعيين حداكثر ظرفيت های توليد فرآيند، بررسی صحت عملكرد های سيستم های كنترل موجود و تنظيم مجدد آنها و …
- تبادل اطلاعات با نرم افزارهای ديگر به صورت دو طرفه، توانايی دست ورزی در اطلاعات كتابخانه ای، افزودن مدل های دلخواه كاربر و اجرای برنامه طبق روش دلخواه كاربر.
در اين ميان از نرم افزار هايی چون HYSIM , CHEMSHARE , ASPEN , ІІ/PRO , HYSYS HEXTRAN مي توان نام برد كه در دنيا كاربرد وسيعی دارند. مقايسه قابليت های هر يک از نرم افزارهای موجود و انتخاب نرم افزار مناسب ، به ميزان وسعت اطلاعات کتابخانه ای و ميزان دقت و فراوانی داده های ترموفيزيکی موجود در آن وابسته می باشد. به طور مثال با استفاده از آموزش نرم افزار Hysys می توانیم تمامی موارد و قابلیت های موجود برای شبیه سازها را ایجاد کنیم.
آشنایی با شبیه سازی در فرآیند شیمیایی
طور كلی در شبيه سازی يك فر آيند شيميايی مهمترين قسمت انتخاب مدل های خواص فيزيكی براي پيش بينی خواص فيزيكی و ترموديناميكی سيستم است. چون این خاصیت های فیزیکی در کلیه محاسبات مربوط به تمام مدلهای توصیف شده یک سیستم دخالت داشته و هرگونه خطای ممکن در انتخاب مدلی مناسب برای هریک از خواص فیزیکی، باعث بوجود آمدن خطا در نتیجه های مربوط به شبیه سازی کل یک سیستم می شود. دراين ميان مهمترين خواص مورد نياز براي انجام محاسبات اصلی بر اساس يك معادله حالت بدست مي آيد. اين خواص شامل حجم مولی ، آنتالپی ، انرژی آزاد گيبس و ضرايب فو گاسيته برای كليه مواد موجود در فرآيند مي گردند.
منظور از مدل سازی فرآیند چیست؟
مدل سازی فرآیند دراصل تعریف ماهیت سیستم تولید در قالب و شکل معادله های ریاضی می باشد. اين معادلات عموماً غير خطي و به شكل معادلات جبري، ديفرانسيلي و يا مخلوط آنهاست كه اين معادلات همگي به صورت اطلاعات كتابخانه اي در نرم افزارهاي شبيه سازي ذخيره شده اند كه از كار هم قرار دادن اين معادلات ، مدلي از فرآيند ساخته میي شود HYSYS دارای تعداد زيادی مدل های خواص فيزيكي است كه هر كدام قادر به پيش بينی خواص يك سرياز سيستم های مواد در شرايط عملياتی مختلف مي باشد. استفاده كننده با توجه به نوع و شرايط خاص مسئله خود بايد يك يا تعدادي از اين معادلات را انتخاب كند . به علاوه روش های خاصی جهت محاسبه بعضي از خواص نيز قابل انتخاب هستند.
آشنایی با نرم افزار قدرتمند HYSYS
نرم افزار HYSYS همان سرنگ اسن فرآيندهای نفت ، گاز و پتروشيمی و بسياری از فرآيندهای موجود در صنايع توليدي را تحت پوشش قرار مي دهد. همچنين توانايی مدلسـازی آن بـراي حالـت هـاي پويـاي (ديناميك) فرآيندها بسيار بالاست ولی ولی الیوت ساده و سريع مي باشد ، لذا به عنـوان يكـي از نـرم افزارهای جـامع و پركاربرد در زمينه مهندسي فرآيند مطرح است.
قابلیت های کلیدی و مهم نرم افزار Hysys
در این بخش می خواهیم به برخی از قابلیت های مهم و اصلی در مورد آموزش نرم افزار Hysys اشاره کنیم.
- در اين نرم افزار مجموعه بسيار جامعی از داده های كتابخانه ای از قبيل خواص مواد خالص، معادلات حالات مختلف ، معادلات ضريب اكتيويته برای سيستم های ايده آل و غير ايده آل وجود دارد.
- يك كتابخانه جامع تركيبات خالص در HYSYS وجود دارد كه قابليت افزودن تركيبات اختصاصی با استفاده از داده های شخصی و يا تهيه تركيباتی با استفاده از گروه های UNIFAC را دارد. همچنين اين نرم افزار قادر است تا برش های مختلف نفتی را بر اساس داده های تقطير ASTM استاندارد به وجود آورد.
- توانايی انجام محاسبات سودمندی نظير شرايط تشكيل هيدرات، خواص نفتی و محاسبات اندازه يابی دستگاه ها (Sizing) را داراست.
- در HYSYS عمليات واحد های متعدد و گوناگونی مانند انواع مبدل های حرارتی، تجهيزات دوار مانند پمپ، كمپرسور، جداكننده ها، برج های تقطير، راكتورها، عمليات جداسازي جامدات و عمليات منطقی موجود است. علاوه بر این می توانیم عملیات های واحد خاص را از راه برنامه نویسی به این برنامه اضافه کنیم.
- كليه واكنش های شيميايی مورد نياز براي يك فرآيند يك بار نوشته شده و در طول برنامه هر جا كه مورد نياز باشند مورد استفاده قرار مي گيرند.
- اين امكان در HYSYS وجود دارد كه يك برج تقطير پيچيده را در يك نمودار جريان فرعی به صورت جداگانه حل كرده و سپس محاسبات را در نمودار جريان اصلی ادامه داد.
- براحتي مي توان نتايج محاسبات را به نرم افزار های عمومی نظير EXCEL و WORD منتقل كرد.
روش حل معادلات در HYSYS
حل دسته معادلات رياضی (جبری، ديفرانسيلی، خطی يا غير خطـی) حاصل از موازنه های جرم و انرژی مربوط به مدلسازی تجهيزات مختلف فرآيندی همراه با معادلات ترموديناميکی و سـاير معـادلات ديگر به روش حل همزمان (Simultaneous or Oriented Equation) صورت می گيرد. اين نرم افزار جزء معدود نرم افزار هایی است که علاوه بر انجام محاسبات forward محاسبات backward را هم انجام می دهد. به این معنی که می توانیم یک واحد را بدون اینکه اطلاعات ورودی داشته باشیم و براساس داده های خروجی شبیه سازی کنیم.
انتخاب روش ترموديناميكی مناسب (PACKAGE PROPERTY)
انتخاب کردن یک شیوه ی ترمودینامیکی مناسب از مهمترین بخش ها و پارامترهای موجود در موفق شدن شبیه سازی فرآیند می باشد. روش های ترموديناميكی موجود در HYSYS امكان تعيين خواص مخلوط هایی از محدوده سيستم های هيدروكربن های سبك تا سيستم های مخلوط های پيچيده برش های نفتی و سيستمهای شیمیایی بشدت نامربوط و غیر ایده آل را ایجاد می کند. کلیه ی معادله های ترمودینامیکی باید توانایی محاسبه خاصیت های ترمودینامیکی و انتقال دهنده سیستم ها را داشته باشند.
خواص ترموديناميکی عبارتند از:
- ضريب فوگاسيته
- آنتالپی
- آنتروپی
- انرژی آزاد گيبس
- حجم
و خواص انتقالی عبارتند از :
- ويسکوزيته
- ضريب هدايت حرارتی
- ضريب نفوذ
- کشش سطحی
در HYSYS مدل هاي ترموديناميكی مورد نظر در (PACKAGE PROPERTY) بـه شش صـورت معادلات حالت، معادلات مدل هاي اكتيويته (فعاليت)، مدل هاي Seader Chao، مـدل های فشار بخار و مدل های متفرقه دسته بندی می شوند. معادلات حالت برای تركيبات هيدروكربنی در بازه وسيعی از شرايط عملياتی مناسب می باشند اما كاربرد آنها محدود به سيستم های غير قطبی يا مواد مختصر قطبی است. براي سيستم های شيميايی غير ايده آل يا قطبی بهتر است از سيستم ترمودينـاميكی دو گانـه استفاده گردد. در اين حالت يك معادله حالت براي پيش بينی ضرايب فوگاسيته فاز بخـار (معمـولاً سيستم GAS IDEAL، يا معادلات حالت PR , RK , SRK) و يك مدل ضريب فعاليت بـراي فـاز مايع انتخاب مي شود.
مدل های اكتيويته براي محدوده فشارهای معمولی و برای مواقعی استفاده مـی شوند كـه رفتـار سيستم به تغييرات فشار وابستگی زيادی را نشان دهد. در اين حالت انتخـاب ايـن مـدل هـا بـرای شبيه سازی بايد بادقت و احتياط زيادی انجام شود و تنظيم پارامترهای اين مدل ها بايد براساس نمونه های مشاهده شده از اطلاعات تجربی صورت گیرد و به این خاطر این مدل ها را نمی توانیم براساس خصوصیات عملیاتی آزمایش نشده مورد بهره برداری قرار دهیم.
معرفی مهمترین شبیه سازی ها با نرم افزار Hysys
در این بخش می خواهیم برخی از مهمترین شبیه سازی هایی که با آموزش نرم افزار Hysys می توان در این نرم افزار پیاده سازی کرد را بیان کنیم :
- شبیه سازی انواع برج تقطیر
- شبیه سازی برج تقطیر با نقطه ی آزئوتروپ و شیوه ی تشخیص آن
- شبیه سازی استراخ کننده مایع – مایع (Liquid – Liquid Extractor)
- شبیه سازی جداکننده کامپوننت ها (Component splitter)
- شبیه سازی میکسر (Mixer و Tee)
- شبیه سازی مقدار کنترل (Control Valve)
- شبیه سازی جریانهای انرژی و مواد در نرم افزار
- شبیه سازی تجهیزات گرما و سرما (Heater و Cooler)
- شبیه سازی جدا کننده های 2 فازی و 3 فازی
- شبیه سازی مبدل های Shell &Tube
- شبیه سازی ابزارها و Utility های مختلف نرم افزار
- شبیه سازی راکتور Conversion و Equilibrium
- شبیه سازی فرایند تقطیر بدون در اختیار داشتن تعداد سینی
- شبیه سازی پمپ و ایجاد منحنی مشخص به پمپ
- شبیه سازی کمپرسورهای جابه جایی مثبت و سانتریفوژ
- تعریف ابزار های منطقی نرم افزار (Recycle , Adjust , Set , Balance)
- شبیه سازی برج جذب
جمع بندی درباره آموزش نرم افزار Hysys
در این مطلب سعی کردیم در مورد یکی از نرم افزارهای تخصصی و مهم در زمینه شبیه سازی فرآیندهای صنعتی و شیمیایی صحبت کنیم و به معرفی نرم افزار Hysys بپردازیم و در ادامه با خصوصیات این نرم افزار آشنا شدیم و برای اینکه آموزش نرم افزار Hysys را یاد بگیریم برخی از نکات و کاربردهای آن را در انواع فرآیندهای شیمیایی بیان کردیم. پیشنهاد می کنیم برای اینکه با کلیه ی جزئیات و بخش های نرم افزار Hysys آشنا شوید می توانیم فیلم های آموزشی فرادرس را که توسط اساتید باتجربه و خبره این موضوع تدریس شده است مشاهده کنید.
